JP4856821B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に半導体素子からの熱を良好に放出でき、且つ半田電極に作用する応力を緩衝する半導体装置および半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣパッケージは携帯機器や小型・高密度実装機器への採用が進み、従来のＩＣパッケージとその実装概念が大きく変わろうとしている。詳細は、例えば電子材料（１９９８年９月号２２頁〜）の特集「ＣＳＰ技術とそれを支える実装材料・装置」で述べられている。
【０００３】
図１７は、フレキシブルシート５０をインターポーザー基板として採用するもので、このフレキシブルシート５０の上には、接着剤を介して銅箔パターン５１が貼り合わされ、更にＩＣチップ５２が固着されている。そして、この導電パターン５１として、このＩＣチップ５２の周囲に形成されたボンディング用パッド５３がある。またこのボンディング用パッド５３と一体で形成される配線５１Ｂを介して半田ボール接続用パッド５４が形成されている。
【０００４】
そして半田ボール接続用パッド５４の裏側は、フレキシブルシートが開口された開口部５６が設けられており、この開口部５６を介して半田ボール５５が形成されている。そしてフレキシブルシート５０を基板にして全体が絶縁性樹脂５８で封止されている。尚、符号５７は、金属細線である。
【０００５】
一方、図１８に、ＩＣチップ５２をフェイスダウンで実装した半導体装置を示す。これは、金属細線５７の代わりに半田ボール６０を採用し、半導体装置全体の厚みを薄くしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩＣチップ５２の下方に設けられたフレキシブルシート５０は非常に高価であり、コスト上昇を来す問題、パッケージの厚みが厚くなる問題、重量が増す等の問題があった。
【０００７】
また支持基板は、金属以外の材料から成るため、ＩＣチップからパッケージの外部に渡る熱抵抗が大きい問題があった。前記支持基板としては、フレキシブルシート、セラミック基板またはプリント基板である。また熱伝導良好な材料より成る熱伝導パスは、太線矢印で示すように、銅箔パターン５１を介して半田ボール５５に至るパスであり、ＩＣチップの熱を十分に放出できない構造であった。よって、駆動時、ＩＣチップが温度上昇し、駆動電流を十分流せない問題があった。
【０００８】
本発明の半導体装置は、半導体素子のボンディング電極と対向して設けられたパッドと、前記パッドと電気的に接続された配線に設けられた外部接続電極と、前記パッドと電気的接続手段を介してフェイスダウンで接続された前記半導体素子と、前記外部接続電極の裏面を露出して一体化するように前記半導体素子を封止する絶縁性樹脂と、前記半導体素子の裏面側に設けられた放熱手段とを有し、前記パッドの上面には、異なる材料より成る導電被膜が設けられ、前記導電被膜から成るひさしが設けられることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
半導体装置を説明する第１の実施の形態
まず本発明の半導体装置について図１および図２を参照しながら説明する。尚、図１は、放熱手段ＲＤが設けられた半導体モジュールを示し、図２Ａは、図１に用いられた半導体装置１５の平面図であり、図１Ｂは、Ａ−Ａ線の断面図である。
【００３３】
まず放熱手段ＲＤが取り付けられる半導体装置１５を図２を参照しながら説明する。図に示す絶縁性樹脂１０に以下の構成要素が埋め込まれている。つまりパッド１１Ａ…と、このパッド１１Ａ…と一体の配線１１Ｂ…と、配線１１Ｂ…と一体で成り、この配線１１Ｂ…の他端に設けられた外部接続電極１１Ｃ…が埋め込まれている。更にこの導電パターン１１Ａ〜１１Ｃに囲まれた領域には、放熱用の電極１１Ｄが設けられ、この放熱用の電極１１Ｄと、この上に設けられた半導体素子１２とが埋め込まれている。尚、半導体素子１２は、絶縁性接着手段、ここではアンダーフィル材ＡＦを介して固着されている。尚、半導体素子１２は、図２Ａでは、点線で示している。
【００３４】
また半導体素子１２のボンディング電極１３とパッド１１Ａは、半田等のロウ材、導電ペースト、異方性導電性樹脂等の電気的接続手段ＳＤを介して電気的に接続されている。
【００３５】
また、電気的接続手段ＳＤの流れを防止するために、導電パターンには流れ防止膜ＤＭが設けられている。例えば、電気的接続手段ＳＤとして半田を例にあげれば、図２Ｂに示すように導電パターン１１Ａ〜１１Ｃの少なくとも一部に流れ防止膜ＤＭを形成し、半田の流れを阻止している。流れ防止膜としては、半田との濡れ性が悪い膜、例えば高分子膜（半田レジスト）またはＮｉ等である。
【００３６】
この流れ防止膜の平面形状を、図８に示した。図８は、放熱用の電極１１Ｄが省略された別の実施の形態であるが、導電パターン上への形成方法は、同一であるので、この図を使って説明する。
【００３７】
図８には、図面の都合からＡ〜Ｅの５つのパターンが形成されているが、実際はこれらの一つが選択され、全ての導電パターンに形成される。Ａに示すパターンは、パッド１１Ａと配線１１Ｂの境界に流れ防止膜ＤＭが設けられ、パッド１１Ａの実質全域に電気的接続手段が形成されるものである。また配線１１Ｂの全域または外部接続電極１１Ｃも含めて流れ防止膜ＤＭが形成されても良い。Ｂは、パッドに流れ防止膜ＤＭが形成され、電気的接続手段が設けられる部分に対応するパッドが露出されたものである。Ｃは、タイプＢの形成領域に加え配線１１Ｂ、外部接続電極１１Ｃにも流れ防止膜ＤＭを形成したものである。Ｄは、タイプＣの開口部が矩形から円形になったものである。更にＥは、パッドの上に、リング状に流れ防止膜ＤＭが形成されたものである。尚、パッド１１Ａは、矩形で示されているが、円形でも良い。この流れ防止膜ＤＭは、半田等のロウ材、Ａｇペースト等の導電ペースト、導電性樹脂の流れを防止するものであり、これらの電気的接続手段に対して濡れ性が悪いものである。例えば、半田がタイプＤに設けられた場合、半田が溶けた際、流れ防止膜ＤＭで堰き止められ、表面張力によりきれいな半球の半田が形成される。またこの半田が付く半導体素子のボンディング電極１３の周囲は、パシベーション膜が形成されるため、ボンディング電極だけに半田が濡れる。よって半導体素子とパッドを半田を介して接続すると、半田は貝柱状に一定の高さで維持される。また半田の量でこの高さも調整可能なので、半導体素子と導電パターンの間に一定の隙間を設けることができ、この間に洗浄液を浸入させたり、また粘性の低い接着剤（ここではアンダーフィル材）も浸入させることが可能となる。更に、接続領域以外を全て流れ防止膜ＤＭで被覆することにより、絶縁性接着手段ＡＦとの接着性を向上させることも可能となる。また流れ防止膜ＤＭとし絶縁材料を採用した場合、図８の接続部を除いて導電箔２１の全域に流れ防止膜ＤＭを形成しても良い。
【００３８】
導電パターン１１Ａ〜１１Ｄの側面は、図２に示すように、非異方性でエッチングされ、ここではウェットエッチンクで形成され、湾曲構造を有し、この湾曲構造によりアンカー効果を発生している。
【００３９】
本構造は、半導体素子１２と、複数の導電パターン１１Ａ〜１１Ｃ、放熱用の電極１１Ｄと、絶縁性接着手段ＡＦ、これらを埋め込む絶縁性樹脂１０の４つの材料で構成される。また前述したように半導体素子１２の配置領域に於いて、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄの上およびこれらの間には、前記絶縁性接着手段ＡＦが充填され、特にエッチングにより形成された分離溝１４に前記絶縁性接着手段ＡＦが充填され、これらを含む全てが絶縁性樹脂１０で封止されている。そして絶縁性樹脂１０や絶縁性接着手段ＡＦにより前記導電パターン１１Ａ〜１１Ｄ、半導体素子１２が支持されている。
【００４０】
絶縁性接着手段ＡＦとしては、絶縁材料から成る接着剤、アンダーフィル材が好ましい。アンダーフィル材は、半導体素子と導電パターンの隙間に浸透できる材料が好ましく、更にはスペーサとして機能するフィラーが混入されても良い。
【００４１】
また絶縁性樹脂１０としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また絶縁性樹脂１０は、金型を用いて固める樹脂、ディップ、塗布をして被覆できる樹脂であれば、全ての樹脂が採用できる。また導電パターン１１Ａ〜１１Ｄとしては、Ｃｕを主材料とした導電箔、Ａｌを主材料とした導電箔、またはＦｅ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｃｕの積層体、Ａｌ−Ｃｕ−Ａｌの積層体等を用いることができる。もちろん、他の導電材料でも可能であり、特にエッチングできる導電材、レーザで蒸発する導電材が好ましい。またハーフエッチング性、メッキの形成性、熱応力を考慮すると圧延で形成されたＣｕを主材料とする導電材料が好ましい。これは、結晶構造が、Ｚ軸方向よりもＸ、Ｙ軸方向に大きく成長しているため、機械的強度、屈曲性、外部からの汚染物質の浸入に対して優れるからである。また配線１１Ｂが延在されるが、ここに加わる応力に対して、圧延のＣｕ箔は強度を有し、しかもその配線抵抗が小さくなるメリットも有する。
【００４２】
本発明では、絶縁性樹脂１０および絶縁性接着手段ＡＦが前記分離溝１４にも充填されているために、前記アンカー効果により導電パターンの抜けを防止できる特徴を有する。またエッチングとしてドライエッチング、あるいはウェットエッチングを採用して非異方性的なエッチングを施すことにより、パッド１１Ａ…の側面を湾曲構造にできる。その結果、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄがパッケージから抜けない構造を実現できる。
【００４３】
しかも導電パターン１１Ａ〜１１Ｄの裏面は、絶縁性樹脂１０から露出している。特に、放熱用の電極１１Ｄの裏面は、実装基板上の第２の回路パターン１２Ｂと固着できる。この構造により、半導体素子１２から発生する熱を実装基板上の第２の回路パターン１２Ｂに放熱でき、半導体素子１２の温度上昇を防止でき、その分半導体素子１２の駆動電流を増大させることができる。尚、放熱性が考慮されない場合、放熱用の電極１１Ｃを省略し、図８の様なパターンにしても良い。この時は、実装基板の第２の回路パターンは、省略される。
【００４４】
本半導体装置は、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄを封止樹脂である絶縁性樹脂１０や絶縁性接着手段ＡＦで支持しているため、支持基板が不要となる。この構成は、本発明の特徴である。従来の技術の欄でも説明したように、従来の半導体装置の銅箔パターンは、支持基板（フレキシブルシート、プリント基板またはセラミック基板）で支持されていたり、リードフレームで支持されているため、本来不要にしても良い構成が付加されている。しかし、本回路装置は、必要最小限の構成要素で構成され、支持基板を不要としているため、薄型・軽量となり、しかも材料費がかからないため安価となる特徴を有する。
【００４５】
また、絶縁性樹脂１０から露出している導電パターン１１Ａ〜１１Ｄに半田等のロウ材を被覆すると、放熱用の電極１１Ｄの面積の方が広いため、ロウ材が厚く濡れる場合がある。そのため、実装基板１８上に固着させる場合、外部接続電極１１Ｃ裏面のロウ材２３が実装基板１８上の第１の回路パターン１９Ａに濡れず、接続不良になってしまう事が想定される。
【００４６】
これを解決するために、半導体装置１５の裏面には絶縁被膜１６が形成されている。図２Ａの外部接続電極、放熱用の電極に示した点線の○は、絶縁被膜１６から露出した外部接続電極１１Ｃ…、放熱用の電極１１Ｄを示すものである。つまりこの○以外は絶縁被膜１６で覆われ、且つ○の部分のサイズを実質同一サイズとし、ここに形成されるロウ材の厚みを実質同一にしている。
【００４７】
また放熱用の電極１１Ｄの露出部１７は、半導体素子の放熱性が考慮され、外部接続電極１１Ｃの露出サイズより大きく形成されても良い。
【００４８】
また絶縁被膜１６を設けることにより、実装基板に設けられる配線を本半導体装置の裏面に延在させることができる。一般に、実装基板側に設けられた配線は、前記半導体装置の固着領域を迂回して配置されるが、前記絶縁被膜１６の形成により迂回せずに配置できる。以上、半導体装置１５について説明した。
【００４９】
従来は、図１７、図１８に示すように半田ボール５５を介したパスが放熱に寄与していた。しかし本半導体装置１５は、図１に示すように、外部接続電極１１Ｃを介した第１の放熱パス、放熱手段ＲＤ介した第２の放熱パスおよび／または放熱用の電極１１Ｄを介した第３の放熱パスを有し、これらにより半導体素子の駆動能力をより向上できるものである。尚、第１の放熱パスは、二点鎖線の矢印で、第２の放熱パスは一点鎖線の矢印で、第３の放熱パスは、実線の矢印で示した。
【００５０】
図１に於いて、外部接続電極１１Ｃは、実装基板１８に形成された第１の回路パターン１９Ａと電気的に接続され、放熱用の電極１１Ｄは、実装基板１８に形成された第２の回路パターン１９Ｂと接続されている。ここでは外部接続手段２３としてロウ材を用いたため、放熱用の電極１１Ｄと第２の回路パターン１９Ｂは、ロウ材を介して熱的に結合されている。また放熱手段ＲＤとして一般の放熱フィンを採用した。特に半導体素子と放熱手段ＲＤとの間は、絶縁性樹脂１０の厚みをコントロールでき、更にはこの絶縁性樹脂１０にフィラーを混入させることもでき、半導体素子の熱を効率よく放出することができる。また半導体素子の裏面を露出させることもできる。この場合、放熱手段ＲＤと半導体素子の絶縁が考慮され、その間に熱伝導の優れた絶縁材料が設けられる。
【００５１】
また図８に示した導電パターンＰＴＮのように、放熱用の電極１１Ｄを省略しても良い。
半導体装置の製造方法を説明する第２の実施の形態
本製造方法は、図２の半導体装置１５の製造方法を示すものであり、図３から図７は、図２ＡのＡ−Ａ線に対応する断面図である。
【００５２】
まず図３の様に導電箔２０を用意する。厚さは、１０μｍ〜３００μｍ程度が好ましく、ここでは７０μｍの圧延銅箔を採用した。続いてこの導電箔２０の表面に、耐エッチングマスクとして導電被膜２１またはホトレジストを形成する。尚、このパターンは、図２Ａのパッド１１Ａ…、配線１１Ｂ…、外部接続電極１１Ｃ…、放熱用の電極１１Ｄ…と同一パターンである。また導電被膜２１の代わりにホトレジストを採用する場合、ホトレジストの下層には、少なくともパッドに対応する部分にＡｕ、Ａｇ、ＰｄまたはＮｉ等の導電被膜が形成されてもよい。これは、Ｃｕの表面が酸化し易く、半田不良を発生する可能性があるからである。これらの膜は、Ｃｕの酸化を考えずに半田接続を可能とするものである。（以上図３を参照）
続いて、パターン化された導電被膜２１の上に流れ防止膜ＤＭを形成し、ハーフエッチングをする。この場合、パターニングされたホトレジストを介してエッチングされ、エッチング深さは、導電箔２０の厚みよりも浅ければよい。尚、エッチングの深さが浅ければ浅いほど、微細パターンの形成が可能である。また導電被膜２１をマスクにしてハーフエッチングし、この後に流れ防止膜ＤＭを形成しても良い。
【００５３】
そしてハーフエッチングすることにより、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄが導電箔２０の表面に凸状に現れる。尚、導電箔２０は、前述したように、圧延で形成されたＣｕを主材料とするＣｕ箔を採用した。しかしＡｌから成る導電箔、Ｆｅ−Ｎｉ合金から成る導電箔、Ｃｕ−Ａｌの積層体、Ａｌ−Ｃｕ−Ａｌの積層体でも良い。特に、Ａｌ−Ｃｕ−Ａｌの積層体は、熱膨張係数の差により発生する反りを防止できる。（以上、図４を参照）
続いて半導体素子１２をフェイスダウンで固着し、半導体素子１２のボンディング電極１３とパッド１１Ａを電気的に接続し、その後アンダーフィル材ＡＦを設ける。ここでは、流れ防止膜ＤＭが形成されるため、ロウ材ＳＤの流れを防止することができる。特にロウ材を採用する場合、ロウ材と濡れ性の良くない流れ防止膜ＤＭを採用すると、配線１１Ｂの方にロウ材が流れず、固着後も半田の厚みを維持することができる。
【００５４】
次に、半田の固着方法について説明する。一般には、ボンディング電極１３側に半田ボールを付けた半導体素子１２を用意し、パッド１１Ａ側に半田ペーストを設け、この半田ペーストの粘着力で半導体素子１２を仮接着する。そして炉に入れて半田溶融させる。流れ防止膜ＤＭが形成されているので、半田が流れず所望の厚みで維持される。
【００５５】
また流れ防止膜ＤＭが形成されているので、パッド１１Ａ側に半球状のロウ材を固着形成してから、半田ボールの形成されていない半導体素子１２を搭載し、固着しても良い。
【００５６】
またこの逆も可能である。つまり半田ボールの形成された半導体素子１５を用意し、炉に入れて半田固着する方法である。
【００５７】
この様に半田固着された後、半導体素子１２と導電箔２０の間を洗浄し、前記アンダーフィル材ＡＦを塗布し、半導体素子１２と導電パターン１１Ａ〜１１Ｄの間に浸透させる。半田ＳＤが所望の厚みに形成されるため、前記洗浄液の浸透性が改善され、更にアンダーフィル材の浸透性も間然される。これにより、半導体素子１２の固着、パシベーションが可能となる。
【００５８】
本工程のポイントは、支持基板を採用することなく半導体素子を実装でき、しかもフェイスダウンで実装でき、金属細線の持ち上がりが無い分、絶縁性樹脂の厚さを薄くできるものである。（以上図５を参照）
そして全体を覆うように絶縁性樹脂１０が形成される。絶縁性樹脂１０としては、熱可塑性、熱硬化性のどちらでも良い。
【００５９】
また、トランスファーモールド、インジェクションモールド、ディッピングまたは塗布により実現できる。樹脂材料としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がトランスファーモールドで実現でき、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂はインジェクションモールドで実現できる。
【００６０】
特に、半田の厚みが調整でき、所望の厚みに形成できる特徴から、半導体素子と導電パターンの間に溶融された注入樹脂が入りやすくなり、空孔のない封止が可能となる。
【００６１】
本実施の形態では、絶縁性樹脂の厚さは、半導体素子の裏面から上に約１００μｍが被覆されるように調整されている。この厚みは、半導体装置の強度や放熱性を考慮して厚くすることも、薄くすることも可能である。
【００６２】
また半導体素子の裏面と金型を当接すれば、半導体素子の裏面をパッケージから露出させることも可能である。特に半導体素子の裏面に形成される絶縁性樹脂１０を薄くしたり、または半導体素子の裏面を露出させ、ここの部分に放熱板ＲＤを配置することにより、更に半導体素子の熱を放出できる構造が取れる。
【００６３】
図６Ｂに於いて、半導体素子１５裏面の露出方法を示した。Ｄ１は上金型、Ｄ２は下金型、ＳＨは、緩衝用のシートである。一般に、半導体素子１５が実装された導電箔２０を金型に配置し、半導体素子１５の裏面が上金型に当接されれば、半導体素子１５の裏面が絶縁性樹脂１０から露出する。しかし裏面への樹脂の浸入を防止するには、かなりの圧力が加わり、チップや半田に外力が加わる恐れがある。よってここでは、緩衝用のシートＳＨを半導体素子１５の裏面に配置し、外力の緩和を実現している。
【００６４】
尚、樹脂注入に於いて、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄは、シート状の導電箔２０と一体で成るため、導電箔２０のずれが無い限り、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄの位置ずれは全くない。
【００６５】
以上、絶縁性樹脂１０には、凸部として形成された導電パターン１１Ａ〜１１Ｄ、半導体素子１２が埋め込まれ、凸部よりも下方の導電箔２０が裏面に露出されている。（以上図６を参照）
続いて、前記絶縁性樹脂１０の裏面に露出している導電箔２０を取り除き、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄを個々に分離する。
【００６６】
ここの分離工程は、色々な方法が考えられ、裏面をエッチングにより取り除いて分離しても良いし、研磨や研削で削り込んで分離しても良い。また、両方を採用しても良い。例えば、絶縁性樹脂１０が露出するまで削り込んでいくと、導電箔２０の削りカスや外側に薄くのばされたバリ状の金属が、絶縁性樹脂１０や絶縁性接着手段ＡＦに食い込んでしまう問題がある。そのため、絶縁性樹脂１０や絶縁性接着手段ＡＦが露出する手前で、削り込みを停止し、その後、エッチングによりパッド１１…を分離すれば、絶縁性樹脂１０や絶縁性接着手段ＡＦの表面に導電箔２０の金属が食い込むことなく形成できる。これにより、微細間隔の導電パターン１１Ａ〜１１Ｄ同士の短絡を防止することができる。また分離溝１４の底部よりも導電パターン裏面が内側になるようにエッチングすれば、分離溝１４に充填された樹脂が飛び出し、その分延面距離を長く取れ、耐圧向上が可能となる。
【００６７】
また半導体装置１５と成る１ユニットが複数形成されている場合は、この分離の工程の後に、ダイシング工程が追加される。
【００６８】
ここではダイシング装置を採用して個々に分離しているが、チョコレートブレークでも、プレスやカットでも可能である。
【００６９】
またここでは、分離され裏面に露出した導電パターン１１Ａ〜１１Ｄに絶縁被膜１６を形成し、図２Ａの点線の丸で示した部分が露出されるようにパターニングされ、この後、矢印で示す部分でダイシングされ半導体装置となる。
【００７０】
尚、半田２３は、ダイシングされる前、またはダイシングされた後、どちらで形成しても良い。特に、ダイシングする前に、スクリーン印刷でロウ材を形成し、これを溶融するすれば、複数の半導体装置に一度に半田を形成することがてきる。尚、外部接続手段２３がロウ材ＳＤで接続される場合、電気的接続手段ＳＤの融点を高くした方が良い。
【００７１】
図７Ｂには、マトリックス状に半導体素子１２が封止された一体物ＰＫを示す。図に示すように、導電パターン１１Ａ〜１１Ｄが分離されても、複数の半導体素子１２は絶縁性樹脂で一体となっている。そのため、絶縁被膜１６の形成、外部接続手段２３の形成がまとめて形成でき、この後でダイシングすることにより半導体装置１５が個別分離できる。尚、手間がかかるが、ダイシング後に絶縁被膜１６、外部接続手段２３を形成しても良い。
【００７２】
以上の製造方法により導電パターン、半導体素子が絶縁性樹脂に埋め込まれた軽薄短小のパッケージが実現できる。
次に、以上の製造方法により発生する効果を説明する。
【００７３】
まず第１に、導電パターンは、ハーフエッチングされ、導電箔と一体となって支持されているため、従来支持用に用いた支持基板を無くすことができる。
【００７４】
第２に、導電箔には、ハーフエッチングされて凸部となったパッドが形成されるため、パッドの微細化が可能となる。従って幅、間隔を狭くすることができ、より平面サイズの小さいパッケージが形成できる。
【００７５】
第３に、導電パターン、半導体素子、接続手段および封止材で構成されるため、必要最小限で構成でき、極力無駄な材料を無くすことができ、コストを大幅に抑えた薄型の半導体装置が実現できる。
【００７６】
第４に、パッドは、ハーフエッチングで凸部と成って形成され、個別分離は封止の後に行われるため、タイバー、吊りリードは不要となる。よって、タイバー（吊りリード）の形成、タイバー（吊りリード）のカットは、本発明では全く不要となる。
【００７７】
第５に、凸部となった導電パターンが絶縁性樹脂に埋め込まれた後、絶縁性樹脂の裏面から導電箔を取り除いて、導電パターンを分離しているため、従来のリードフレームのように、リードとリードの間に発生する樹脂バリを無くすことができる。
【００７８】
第６に、半導体素子１２の裏面が露出できたり、この裏面に薄く絶縁性樹脂１０が形成できる。そのため、半導体素子１２の裏面側に放熱フィン等の放熱手段ＲＤを配置でき、半導体素子１２の熱を効率よく放出することができる。
【００７９】
第７に、半導体素子は、絶縁性接着手段を介して放熱用の電極と固着され、この放熱用の電極が裏面から露出する。よって図１に示す様に、実装基板１８の第２の回路パターン１９Ｂと放熱用の電極１１Ｄが熱的に固着でき、第２の回路パターン１９Ｂを介して熱を放出することができる。更には、絶縁性接着手段にＳｉ酸化膜や酸化アルミニウム等のフィラーが混入されることで更にその放熱性が向上される。またフィラーを混入させ、実質そのサイズを統一させれば、スペーサとしての機能を持たせることが出来る。
半導体モジュールを説明する第３の実施の形態
図９に半導体モジュールを示す。図１０Ａは、このモジュールに実装される半導体装置４０の平面図であり、図１０Ｂは、Ａ−Ａ線に於ける断面図である。
【００８０】
図２では、パッド１１Ａには、配線１１Ｂ、外部接続電極１１Ｃが一体で形成されていたが、ここではパッド１１Ａの裏面が外部接続電極と成っている。
【００８１】
またパッド１１Ａの裏面が矩形で成っているため、絶縁被膜１６から露出するパターンも前記矩形と同一パターンで形成されている。また絶縁性接着手段ＡＦの固着性が考慮されて、放熱用の電極１１Ｄが複数に分割されるように溝４３が形成されている。
【００８２】
尚、放熱用の電極１１Ｄが省略されても良いし、半導体素子１２の裏面が露出されても良い。また製造方法は、前述した製造方法と実質同一であるため、その説明は省略する。
【００８３】
以上、放熱手段ＲＤおよび／または放熱用の電極１１Ｄが採用されるため、半導体素子から発生する熱を外部に放出できる特徴を有する。よって、メモリ、マイコンまたはＣＰＵ等の発熱を嫌う半導体素子に適用することにより、その能力を十分に発揮することができる。
半導体装置を説明する第４の実施の形態
本実施の形態に係る半導体装置を図１１に示す。図１１Ａはその平面図であり、図１１Ｂは半導体装置５０を実装基板４２に実装した際のＡ−Ａ線に於ける断面図である。
【００８４】
前述の説明では、半導体素子１２の領域の裏面に設けられる電極は、放熱作用を高めるために設けられていた。しかし、これらの電極は放熱作用を有すると共に、半導体装置の周辺部に設けられた外部接続電極１１Ｃに作用する応力を緩衝する働きも有する。
【００８５】
図１１に示す如く、この半導体装置５０の特徴は、外部接続電極１１Ｃに囲まれた電極１１Ｄの裏面に、裏面全域を覆うように応力緩衝用の電極１１Ｅが設けられていることである。つまり、外部接続電極１１Ｃよりも大きいサイズの半田電極１１Ｅが設けられている。また、このサイズは半導体素子と同等、あるいはそれ以上でも良い。また若干小さくても良い。このことによる作用を以下に説明する。なお、この１１Ｃは、半田、半田バンプ、導電性接着剤、でも良い。
【００８６】
本発明に係る半導体装置５０は、絶縁性樹脂１０で装置全体が支持されている。実装基板４３と絶縁性樹脂１０の熱膨張係数は違うことが多いので、なるべくその差を小さくするが、同一にすることは非常に難しいので両者の熱膨張係数はどうしても異なってしまう。従って、半導体装置５０と実装基板４３の両方の温度が上昇すると、両者を接続する半田電極１１Ｃに応力が作用する。例えば、外部接続電極のみで半導体装置が半田固着された図１８のような場合、この応力の大きさはパッケージサイズが大きくなる程、大きくなる。具体的には、半導体素子の中央から半導体装置の周辺までの距離に比例する。
【００８７】
本願は、応力緩衝用の電極１１Ｅを半導体素子１２と実質同等のサイズにすることで、前述した応力の緩和が可能となる。応力緩衝用の電極１１Ｅによってその領域は実装基板と強固に固定される。従って、外部接続電極１１Ｃに作用する応力は、応力緩衝用の電極１１Ｅ周辺から外部接続電極１１Ｃの中央までの距離に比例することになる。応力シミュレーションの結果では、２５〜３０％程の外部接続電極１１Ｃに加わる最大応力が低減される。よって、外部接続電極１１Ｃにクラックが発生するのを防止することができる。尚、この応力緩衝用の電極は、半導体素子１２よりも若干大きいか、若干小さくても良い。
【００８８】
図１６は、ヒートサイクル試験によるサイクル数（横軸）とクラック発生率（縦軸）の関係を示したグラフである。ここで、ヒートサイクル試験の手法を説明する。先ず、半田電極を介して実装基板に実装した半導体装置を気相に晒す。次に、その気相の温度を変化させ、温度変化により半田電極にクラックが発生した半導体装置の個数を計測する。以上の作業を行うことにより、半田電極の温度変化に対する寿命を評価することができる。なお、気相の温度変化の範囲は−４０℃〜１２５℃であり、１サイクルの時間は、約１時間である。
【００８９】
以下に図１６のケース１およびケース２の構造について説明する。
【００９０】
ケース１：図１０の半導体装置の裏面に設けられた半田構造で、絶縁被膜を介して露出したボンディングパッド裏面と放熱用電極の大きさが同じものである。従って、放熱用電極の露出部には、半田が多数設けられ、この半田電極が実装基板に実装された構造になる。
【００９１】
ケース２：ケース１に於いて、放熱用電極の裏面が実質全域に渡り露出し、この放熱電極と実装基板の電極が全面で固着されたものである。つまり、図１１に示す実装構造である。
【００９２】
ケース１の場合は、サイクル数が２５０回を越えた時点からクラック発生率が上昇し、サイクル数が４００回になった時点でクラック発生率が１００％になった。つまり、サイクル数が４００回になった時点で全ての半導体装置の半田電極にクラックが発生したことになる。
【００９３】
ケース２の場合は、サイクル数が４５０回を越えた時点からクラック発生率が上昇し、サイクル数が６００回になった時点でクラック発生率は１００％と成った。
【００９４】
このことから、ケース２の半導体装置がケース１の半導体装置よりも半田クラックが発生しにくい構造であると言える。従って、応力緩衝用の電極としては、チップと実質同程度のサイズの大型の半田電極を用いたほうが効果的である。これは、前述した様に半田電極の離間距離が短縮されたからである。
【００９５】
ここで半田電極は、半田材料から成るが、ここの材料は、一般に言われるロウ材、Ａｇ、金等の導電ペースト、導電性接着剤でも良い。また放熱用電極と実装基板とを固着する材料は、放熱電極１１Ｄがチップ裏面と電気的に接続されなければ、絶縁性接着剤でも良い。
半導体装置を説明する第５の実施の形態
本実施の形態に係る半導体装置を図１２に示す。図１２Ａはその平面図であり、図１２Ｂは半導体装置５１を実装基板４３に実装した際のＡ−Ａ線に於ける断面図である。
【００９６】
図１２Ａおよび図１２Ｂに示す如く、この半導体装置５１の特徴は、溝４４で分割された放熱用の電極１１Ｄに、応力緩和用の電極１１Ｆが設けられていることである。つまり、応力緩衝用の電極１１Ｆを介して半導体装置５１の裏面と実装基板４３が強固に結合される。従って、外部接続半田電極１１Ｃに作用する応力は、応力緩衝用の電極１１Ｄの周辺から外部接続電極１１Ｃの中央部までの距離に比例することにある。このことから、半導体装置５１が熱膨張した際に、外部接続電極１１Ｃに作用する応力を緩衝することができ、外部接続電極１１Ｃにクラックが発生するのを防止することができる。
【００９７】
更に、溝４４を設けることにより、絶縁性接着手段ＡＤと放熱用の電極１１Ｄとの接着力を向上させることができる。
【００９８】
なお、この構造のサイクル試験は実施していないが、図１１の構造と同等の効果が発生すると思われる。応力緩衝用の電極１１Ｆの分割数はせいぜい２〜８分割程度である。この分割を行うことにより、全面ベタで固着される構造に比べ、塗布した半田の量（厚み）が薄くなり、実装性が向上する。
半導体装置を説明する第６の実施の形態
本実施の形態に係る半導体装置を図１３に示す。図１３Ａはその平面図であり、図１３Ｂは半導体装置５２を実装基板４３に実装した際のＡ−Ａ線に於ける断面図である。
【００９９】
図１３Ａに示す如く、この半導体装置の特徴は、外部接続電極１３Ｃが細長の形状を有していることである。ここでも応力の緩衝の原因は２つある。
１つ目は外部接続電極１１Ｃの接着面積が大きくなったこと、
２つ目はクラックの発生箇所ＣＫが、半田の外周部で且つ半導体素子側に発生するため、その発生箇所ＣＫの離間距離を短くしたことである。
【０１００】
また、電極間の半田ブリッジの防止を考えると、放熱用の電極１１Ｄとボンディングパッド１１Ａとの離間距離は０．３ｍ程度が必要である。また、図面ではボンディングパッド１１Ａの数が少ないので、正方形でも可能となるが、２００ピンを超えるボンディングパッドが必要となる場合、ボンデイングパッドの幅が狭くする必要がある。よってボンディングパッド１１Ａの形状は必然的に細長の形状となる。
【０１０１】
このことにより、接着面積が増加すると同時にクラックの発生箇所が内側になり、クラックの発生が抑制されることになる。
半導体装置を説明する第７の実施の形態
本実施の形態に係る半導体装置を図１４および図１５に示す。図１４Ａはその平面図であり、図１４Ｂは半導体装置５３を実装基板４３に実装した際のＡ−Ａ線に於ける断面図である。図１５Ａ〜図１５Ｃは外部接続電極１１Ｃの構造を示す。
【０１０２】
図１５Ａ、Ｂに示す如く、半導体装置５３の特徴は、外部接続電極１１Ｃの構造にある。問題となる点は、図１５Ｃに示すように、半田延面に絶縁性被膜１６が当たり、くびれＮＫを形成しないことである。外部接続電極１１ＣがくびれＮＫを有さない構造であれば、図１５Ａ、図１５Ｂの如き構造でも良い。
【０１０３】
このくびれＮＫは応力が集中し易く、従ってクラックも発生しやすいことが判った。また、厚さが０．５ｍｍ以下の薄型パッケージでは、薄型故に半導体装置の構成材料に対して絶縁性樹脂の構成比率が少なく、極端ではあるが半導体素子１２を直づけにした様なものである。半導体素子１２の材料であるシリコンと、実装基板の熱膨張率は大きく異なるので、両者を接続する半田電極１１Ｃに作用する応力は大きくなる。従って、全ての発明の実施の形態で半田延面はくびれの無いスムーズな曲面を有することが重要である。
【０１０４】
次に、ヒートサイクル試験の結果を図１６を用いて説明する。先ず、ケース３とケース４の試験に用いた半導体装置の構造を説明する。
【０１０５】
ケース３とケース４の両方の半導体装置の外部接続電極も、くびれを有しない構造である。両者の違いは、応力緩衝用の電極の構造にある。ケース３の半導体装置の応力緩衝用の電極は、外部接続電極と同じ大きさの電極が複数設けられている。ケース４の半導体装置の応力緩衝用の電極は、半導体素子と同程度の大きさである。
【０１０６】
ケース３の場合は、現在試験中であるが、サイクル数が７５０回を超えても半田クラックは発生していない。
【０１０７】
ケース４の場合は、サイクル数が１４００回になった時点でもクラック発生率は０％である。つまり、サイクル数が１４００回になっても半田電極にクラックが全く発生しないことになる。
【０１０８】
次に、ケース１〜ケース４の構造の違いについて説明する。
【０１０９】
ケース１とケース２の構造の違いは、応力緩衝用の電極の形状にある。ケース１の応力緩衝用の電極は、外部接続電極１１Ｃと同じ大きさである。それに対して、ケース２の応力緩衝用の電極は、半導体素子とほぼ同じ大きさを有している。つまり、ケース２の応力緩衝用の電極の方がケース１のものよりも大きい。
【０１１０】
ケース１とケース３の構造の違いは、外部接続電極の形状にある。ケース１の外部接続電極は、円形で且つくびれを有する構造である。それに対して、ケース２の外部接続電極は、細長で且つくびれを有さない構造である。
【０１１１】
ケース２とケース４の構造の違いは、両者ともに半導体素子とほぼ同等の大きさの応力緩衝用の電極を有しているが、外部接続電極の形状にある。ケース２の外部接続電極は、円形で且つくびれを有する構造である。それに対して、ケース４の外部接続電極は、細長で且つくびれを有さない構造である。
【０１１２】
このことから、応力緩衝用の電極の形状の特徴と、外部接続電極の形状の特徴の２つの特徴を組み合わせることにより半田クラックを防止できることが判る。つまり、応力緩衝用の電極の大きさを半導体素子と同じ程度の大きさとし、外部接続電極の形状を細長にし、且つくびれのない形状にすることである。
【０１１３】
以上、説明したように、本発明の特徴は本来放熱用の電極として有効であった放熱用電極１１Ｄが、半田を介して実装基板にベタ付けで強固に固着されることで、外部接続電極のクラック防止に有効であることが判った。
【０１１４】
また、外部接続電極をくびれを有さない構造にすることにより、外部接続電極の強度を向上させることができることが判った。
【０１１５】
それにより、薄型パッケージの実装性の著しい向上を実現し、軽薄短小のパッケージの実用化に大きく寄与する。
【０１１６】
なお、上記した全ての実施例では、半導体素子１２と放熱用の電極１１Ｄとの接着手段として絶縁性接着手段ＡＤを用いた。しかし、この接着手段は絶縁性のものに限られない。半導体装置の裏面電極がショートしなければ、導電性の接着手段をもちいてもよい。
【０１１７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、半導体素子をフェイスダウンで実装し、放熱手段や放熱用の電極を採用することにより、半導体素子の能力を向上させることができる。
【０１１８】
特に、放熱用の電極を実装基板の第２の回路パターンに接続すれば、この第２の回路パターンを介して放出できる。よって、半導体モジュール全体の熱も低下でき、このモジュールに別途取り付けられている他の素子の能力も向上できる。
【０１１９】
また導電パターンの上に流れ防止膜を形成することにより、電気的接続手段が導電パターンに沿って流れず、電気的接続手段の形状、その厚みを制御することができる。よって電気的接続手段を介して半導体素子と導電パターンが接続された後、その間の洗浄が可能となる。また隙間が狭くならないため、流動性を有する絶縁性樹脂の浸入を可能とする。
【０１２０】
また導電パターン、半導体素子および絶縁性樹脂の必要最小限で構成され、資源に無駄のない回路装置となる。よって完成するまで余分な構成要素が無く、コストを大幅に低減できる半導体装置およびモジュールが実現できる。
【０１２１】
更に、本発明の半導体装置は、中央部のパッドの裏面に、半導体素子と同等の大きさを有する応力緩衝用の電極を設けることによって、外部接続電極に作用するストレスを小さくすることができる。このことにより、半田クラックが発生するのを防止することができる。
【０１２２】
更に、本発明の半導体装置は、外部接続電極を細長の形状にし、且つくびれを有さない構造にすることにより、半田電極に作用する応力を緩衝できると同時に、半田電極自体の強度を向上させることができる。従って、半田クラックを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体モジュールを説明する図である。
【図２】図１に用いた半導体装置を説明する図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図７】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図８】本発明の半導体装置に採用する導電パターンを説明する図である。
【図９】本発明の半導体モジュールを説明する図である。
【図１０】図９に用いた半導体装置を説明する図である。
【図１１】本発明の半導体装置の実装構造を説明する図である。
【図１２】本発明の半導体装置の実装構造を説明する図である。
【図１３】本発明の半導体装置の実装構造を説明する図である。
【図１４】本発明の半導体装置の実装構造を説明する図である。
【図１５】本発明の半導体装置の外部接続電極の形状を説明する図である。
【図１６】本発明の半導体装置を用いたヒートサイクルの試験結果を説明する図である。
【図１７】従来の半導体装置を説明する図である。
【図１８】従来の半導体装置を説明する図である。
【符号の説明】
１０ 絶縁性樹脂
１１Ａ パッド
１１Ｂ 配線
１１Ｃ 外部接続電極
１１Ｄ 放熱用の電極
１２ 半導体素子
１３ ボンディング電極
１５ 半導体装置
１６ 絶縁被膜
１７ 露出部
１８ 実装基板
１９ 回路パターン
ＡＦ 絶縁性接着手段
ＤＭ 流れ防止膜
ＳＤ 外部接続手段
ＲＤ 放熱手段

Claims (5)

1. 半導体素子のボンディング電極と対向して設けられたパッドと、前記パッドと電気的に接続された配線に設けられた外部接続電極と、前記パッドと電気的接続手段を介してフェイスダウンで接続された前記半導体素子と、前記外部接続電極の裏面を露出して一体化するように前記半導体素子を封止する絶縁性樹脂と、前記半導体素子の裏面側に設けられた放熱手段とを有し、
   前記パッドの上面には、異なる材料より成る導電被膜が設けられ、前記導電被膜から成るひさしが設けられることを特徴とした半導体装置。
2. 前記パッドで囲まれた領域で、半導体素子の下に放熱用の電極が配置される請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子の裏面が絶縁性樹脂から露出し、前記放熱手段は、半導体素子の裏面と直接または絶縁されて取り付けられる請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記電気的接続手段は、ロウ材から成ることを特徴とした請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記導電被膜はニッケル、銀、金またはパラジウムで構成される事を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体装置。

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